哈佛大學的研究人員觀察到一種被預測了50年但以前從未觀察到的物質狀態。1973年，物理學家菲利普·沃倫·安德森（Philip W. Anderson）提出了一種新的物質狀態的理論，該物質狀態一直是該領域的一個主要焦點，尤其是在量子計算機的競賽中。
這種奇怪的物質狀態被稱為量子自旋液體（quantum spin liquid），與名稱相反，它與水等日常液體毫無關係。相反，它是關於永遠不會凍結的磁體和其中電子的旋轉方式。在普通的磁體中，當溫度降到一定溫度以下時，電子會穩定下來，形成具有磁性的固體物質。在量子自旋液體中，電子在冷卻時並不穩定，也不形成固體，而是不斷變化和波動（像液體一樣），處於有史以來最糾纏的量子狀態之一。
量子自旋液體的不同特性具有很好的應用前景，可以用來推動量子技術，如高溫超導體和量子計算機。但是關於這種物質狀態的問題一直是它的存在。沒有人見過它–至少，近50年來一直是這種情況。
近日，一個由哈佛大學領導的物理學家團隊說，他們終於在實驗中記錄了這種長期尋求的物質狀態。這項工作在《科學》雜誌的一項新研究中進行了描述，並標誌着朝着能夠按需生產這種難以捉摸的狀態和獲得對其神秘性質的新理解邁出了一大步。
“這是該領域一個非常特殊的時刻，”喬治·瓦斯默·萊弗里特物理學教授、哈佛量子計劃（HQI）聯合主任、該研究的資深作者之一Mikhail Lukin說。“你可以真正地觸摸、撥弄和探測這種奇異的狀態，並操縱它以了解其特性。…這是一種人們從未能夠觀察到的新的物質狀態。”
從這項科學研究中獲得的知識有一天可以為設計更好的量子材料和技術提供進展。更具體地說，來自量子自旋液體的奇異屬性可能是創造更強大的量子比特–被稱為拓撲量子比特–的關鍵，這些比特有望抵抗噪音和外部干擾。
哈佛-馬克斯-普朗克量子光學中心的博士后研究員、該研究的主要作者Giulia Semeghini說：“這是量子計算的一個夢想。學會如何創建和使用這樣的拓撲量子比特將代表着向實現可靠的量子計算機邁出的重要一步。”
研究小組着手使用實驗室最初在2017年開發的可編程量子模擬器來觀察這種物質狀態。該模擬器是一種特殊的量子計算機，允許研究人員創建可編程的形狀，如正方形、蜂窩狀或三角形格子，以設計超冷原子之間不同的相互作用和糾纏關係。它被用來研究一系列複雜的量子過程。使用量子模擬器的想法是能夠重現在凝聚態系統中發現的相同的微觀物理學，特別是在系統的可編程性允許的自由度下。
“你可以隨心所欲地移動原子，你可以改變激光的頻率，你可以真正地改變自然界的參數，而這是你在早期研究這些東西的材料中無法做到的，”
研究報告的共同作者 Subir Sachdev 說，他是赫歇爾-史密斯物理學教授。“在這裡，你可以看着每個原子，看看它在做什麼。”
在傳統的磁鐵中，電子自旋以某種有規律的方式指向上方或下方。例如，在日常的冰箱磁鐵中，自旋都指向同一個方向。發生這種情況是因為自旋通常以棋盤格的模式工作，並且可以配對，以便它們可以指向同一個方向或交替的方向，保持一定的秩序。
量子自旋液體沒有顯示這種磁秩序。發生這種情況的原因是，從本質上講，有第三個自旋加入，將棋盤格圖案變成了三角形圖案。雖然一對自旋總是可以穩定在一個方向或另一個方向，但在一個三角形中，第三個自旋將總是奇數的電子。這就形成了一個”受挫”的磁體，電子自旋不能穩定在一個方向上。
Semeghini說：“從本質上講，它們在同一時間以一定的概率處於不同的配置中。”這是量子疊加的基礎。”
哈佛大學的科學家們使用模擬器來創建他們自己的晶格圖案，將原子放在那裡進行互動和糾纏。然後研究人員能夠測量和分析整個結構糾纏后連接原子的弦。這些被稱為拓撲弦的弦的存在和分析，標誌着量子關聯正在發生，物質的量子自旋液體狀態已經出現。
這項工作建立在Sachdev和他的研究生Rhine Samajdar的早期理論預測，以及哈佛大學物理學教授Ashvin Vishwanah和HQI博士后Ruben Verresen的具體提議上。該實驗是與George Vasmer Leverett物理學教授Markus Griener的實驗室，以及來自因斯布魯克大學和波士頓QuEra計算公司的科學家合作完成的。
“理論和實驗之間的反反覆復是非常刺激的，”Verresen說。“當拍下原子的快照和預期的二聚體構型盯着我們看時，那是一個美麗的時刻。可以說，我們沒有想到我們的提議會在幾個月內實現。”
在確認了量子自旋液體的存在後，研究人員轉向了將這種物質狀態用於創造堅固的量子比特的可能應用。他們進行了一個概念驗證測試，顯示有一天可能通過使用模擬器將量子自旋液體放在一個特殊的幾何陣列中來創建這些量子比特。
研究人員計劃使用可編程的量子模擬器繼續研究量子自旋液體，以及如何使用它們來創建更強大的量子比特。畢竟，量子比特是量子計算機運行的基本構件，也是其巨大處理能力的來源。
“我們展示了如何創建這種拓撲量子比特的最初步驟，但我們仍然需要證明你如何能夠實際編碼和操縱它，”Semeghini說。“現在還有很多東西需要探索。”